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混凝土的強(qiáng)度包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等,其中抗壓強(qiáng)度最大,故混凝土主要用來承受壓力。
混凝土的抗壓強(qiáng)度
混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度等級
按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002),制作邊長為150mm的立方體試件,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度(20±2)℃、相對濕度95%以上]條件下,養(yǎng)護(hù)至28d齡期,用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的極限抗壓強(qiáng)度,稱為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度,以fcu表示。
按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)(2015年版)的規(guī)定,在立方體極限抗壓強(qiáng)度總體分布中,具有95%強(qiáng)度保證率的立方體試件抗壓強(qiáng)度,稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(以MPa即N/mm2計(jì)),以fcu,k表示。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是按數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理方法達(dá)到規(guī)定保證率的某一數(shù)值,它不同于立方體試件抗壓強(qiáng)度。
混凝土強(qiáng)度等級是按混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來劃分的,采用符號C和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值表示,可劃分為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14個等級。例如,強(qiáng)度等級為C25的混凝土,是指25MPa≤fcu,k<30MPa的混凝土。素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20;采用強(qiáng)度級別400MPa及以上的鋼筋時,混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25;承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件,混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C40,且不應(yīng)低于C30。
測定混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度,也可以按粗骨料最大粒徑的尺寸選用不同的試件尺寸。但在計(jì)算其抗壓強(qiáng)度時,應(yīng)乘以換算系數(shù),以得到相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)結(jié)果。選用邊長為100mm的立方體試件,換算系數(shù)為0.95,邊長為200mm的立方體試件,換算系數(shù)為1.05。
采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法在標(biāo)準(zhǔn)條件下測定混凝土的強(qiáng)度是為了使不同地區(qū)不同時間的混凝土具有可比性。在實(shí)際的混凝土工程中,為了說明某一工程中混凝土實(shí)際達(dá)到的強(qiáng)度,常把試塊放在與該工程相同的環(huán)境養(yǎng)護(hù)(簡稱同條件養(yǎng)護(hù))按需要的齡期進(jìn)行測試,作為現(xiàn)場混凝土質(zhì)量控制的依據(jù)。
混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度
按棱柱體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,制成邊長為150mm×150mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d,測其抗壓強(qiáng)度,即為棱柱體的抗壓強(qiáng)度(f&x),通過實(shí)驗(yàn)分析,fck≈0.67fcu,k。
影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素
影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素很多,包括原材料的質(zhì)量(只要是水泥強(qiáng)度等級和骨料品種)、材料之間的比例關(guān)系(水灰比、灰水比、骨料級配)、施工方法(拌和運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù))以及試驗(yàn)條件(齡期、試件形狀與尺寸、試驗(yàn)方法、濕度及溫度)等。
1)水泥強(qiáng)度等級和水膠比。膠凝材料是混凝土中的活性組分,其強(qiáng)度的大小直接影響著混凝土強(qiáng)度的高低。在配合比相同的條件下,所用的膠凝材料所用的水泥強(qiáng)度等級越高,配制的混凝土強(qiáng)度也越高,當(dāng)用同一種水泥(品種及強(qiáng)度等級相同)時,混凝土的強(qiáng)度主要取決于水膠比,水膠比越大,混凝土的強(qiáng)度越低。這是因?yàn)樗嗨瘯r所需的化學(xué)結(jié)合水,一般只占水泥質(zhì)量的23%左右,但在實(shí)際拌制混凝土?xí)r,為了獲得必要的流動性,常需要加入較多的水(占水泥質(zhì)量的40%~70%)。多余的水分殘留在混凝土中形成水泡,蒸發(fā)后形成氣孔,使混凝土密實(shí)度降低,強(qiáng)度下降。水膠比大,則水泥漿稀,硬化后的水泥石與骨料黏結(jié)力差,混凝土的強(qiáng)度也越低。但是,如果水膠比過小,拌和物過于干硬,在一定的搗實(shí)成型條件下,無法保證澆筑質(zhì)量,混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞,強(qiáng)度也將下降。試驗(yàn)證明,混凝土強(qiáng)度隨水灰比(水與水泥的比值)的增大而降低,呈曲線關(guān)系,混凝土強(qiáng)度和灰水比(水泥與水的比值)的關(guān)系,則呈直線關(guān)系。
2)骨料的種類與級配。骨料中有害雜質(zhì)過多且品質(zhì)低劣時,將降低混凝土的強(qiáng)度。骨料表面粗糙,則與水泥石黏結(jié)力較大,混凝土強(qiáng)度高。骨料級配良好、砂率適當(dāng),能組成密實(shí)的骨架,混凝土強(qiáng)度也較高。
3)混凝土外加劑與摻和料。在混凝土中摻入早強(qiáng)劑可提高混凝土早期強(qiáng)度;摻入減水劑可提高混凝土強(qiáng)度;摻入一些摻和料可配制高強(qiáng)度混凝土。
4)養(yǎng)護(hù)溫度和溫度。混凝土澆筑成型后,所處的環(huán)境溫度對混凝土的強(qiáng)度影響很大。混凝土的硬化,在于水泥的水化作用,周圍溫度升高,水泥水化速度加快,混凝土強(qiáng)度發(fā)展也就加快。反之,溫度降低時,水泥水化速度降低,混凝土強(qiáng)度發(fā)展將相應(yīng)遲緩。當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時,混凝土的強(qiáng)度停止發(fā)展,并且由于孔隙內(nèi)水分結(jié)冰而引起膨脹,使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞。混凝土早期強(qiáng)度低,更容易凍壞。濕度適當(dāng)時,水泥水化能順利進(jìn)行,混凝土強(qiáng)度得到充分發(fā)展。
如果濕度不夠,會影響水泥水化作用的正常進(jìn)行,甚至停止水化。這不僅嚴(yán)重降低混凝土的強(qiáng)度,而且水化作用未能完成,使混凝土結(jié)構(gòu)疏松,滲水性增大,或形成干縮裂縫,從而影響其耐久性。
因此,混凝土成型后一定時間內(nèi)必須保持周圍環(huán)境有一定的溫度和濕度,使水泥充分水化,以保證獲得較好質(zhì)量的混凝土。
5)硬化齡期?;炷猎谡pB(yǎng)護(hù)條件下,其強(qiáng)度將隨著齡期的增長而增長。最初7~14d內(nèi),強(qiáng)度增長較快,28d達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。以后增長緩慢,但若保持足夠的溫度和濕度,強(qiáng)度的增長將延續(xù)幾十年。普通水泥制成的混凝土,在標(biāo)準(zhǔn)條件下,混凝土強(qiáng)度的發(fā)展大致與其齡期的對數(shù)成正比關(guān)系(齡期不小于3d)。
6)施工工藝。混凝土的施工工藝包括配料、拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)等工序,每一道工序?qū)ζ滟|(zhì)量都有影響。若配料不準(zhǔn)確,誤差過大、攪拌不均勻、拌和物運(yùn)輸過程中產(chǎn)生離析、振搗不密實(shí)、養(yǎng)護(hù)不充分等均會降低混凝土強(qiáng)度。因此,在施工過程中,一定要嚴(yán)格遵守施工規(guī)范,確?;炷恋膹?qiáng)度。
混凝土的抗拉強(qiáng)度
混凝土在直接受拉時,很小的變形就會開裂,它在斷裂前沒有殘余變形,是一種脆性破壞。混凝土的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/20~1/10。我國采用立方體(國際上多用圓柱體)的劈裂抗拉試驗(yàn)來測定混凝土的抗拉強(qiáng)度,稱為劈裂抗拉強(qiáng)度。
抗拉強(qiáng)度對于開裂現(xiàn)象有重要意義,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂度的重要指標(biāo)。對于某些工程(如混凝土路面、水槽、拱壩),在對混凝土提出抗壓強(qiáng)度要求的同時,還應(yīng)提出抗拉強(qiáng)度要求。